[논문 리뷰] The LAGUNA design study- towards giant liquid based underground detectors for neutrino physics and astrophysics and proton decay searches

LAGUNA Collaboration, Doug Angus외 122명|arXiv (Cornell University)|2009. 12. 31.

Neutrino Physics Research참고 문헌 4인용 수 9

한 줄 요약

LAGUNA 설계 연구는 유럽에서 다음 세대의 거대한 액체 기반 지하 중성미자 관측소를 제안하며, 100,000톤에서 100만 톤의 유효질량을 갖추어 중성미자 진동, 양성자 붕괴, 천체물리적 중성미자를 연구한다. 이 연구는 유럽 전역의 7개 후보지에 대해 기술적 타당성, 비용, 안전성을 평가하여 2010년 여름까지 우선순위가 매겨진 현지 선정과 개념 설계를 완료함으로써 향후 CERN 기반 빔을 활용한 장거리 기반 중성미자 물리 연구를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The feasibility of a next generation neutrino observatory in Europe is being considered within the LAGUNA design study. To accommodate giant neutrino detectors and shield them from cosmic rays, a new very large underground infrastructure is required. Seven potential candidate sites in different parts of Europe and at several distances from CERN are being studied: Boulby (UK), Canfranc (Spain), Fréjus (France/Italy), Pyhäsalmi (Finland), Polkowice-Sieroszowice (Poland), Slanic (Romania) and Umbria (Italy). The design study aims at the comprehensive and coordinated technical assessment of each site, at a coherent cost estimation, and at a prioritization of the sites within the summer 2010.

연구 동기 및 목표

• 다음 세대의 대규모 액체 기반 중성미자 검출기를 유럽에서 건설할 수 있는 기술적 타당성을 평가하여, 양성자 붕괴를 탐지하고 중성미자 성질을 사상적인 민감도로 측정할 수 있도록 한다.
• 영국의 Boulby, 스페인의 Canfranc, 프랑스/이탈리아의 Fréjus, 핀란드의 Pyhäsalmi, 폴란드의 Polkowice-Sieroszowice, 루마니아의 Slanic, 이탈리아의 Umbria 등 유럽 여러 국가에 퍼진 7개의 후보지 중에서 검출기 설치에 적합한지를 평가한다.
• 각 현지의 지질학, 지질역학, 지질공학 조건을 종합적으로 분석하여, 깊은 지하 동굴을 건설할 수 있는지를 평가하고, 암반 역학, 굴착 계획, 덮개 두께, 검출기 탱크 설계, 접근성, 안전성 등을 포함한 종합적인 기술 평가를 수행하여 견고한 인프라 계획을 확보한다.
• 2010년 여름까지 향후 건설을 위한 비용 추정과 우선순위가 매겨진 현지 목록을 제작하여, 향후 중성미자 물리 분야에서의 유럽 전략을 뒷받침한다.
• CERN에서 제공하는 업그레이드된 중성미자 빔과 결합하여, 향후 장거리 기반 중성미자 실험을 위한 기반을 마련하며, 렙톤 영역에서의 CP 위반 연구를 최적화한다.

제안 방법

• 7개의 유럽 현지에서 현지 특화된 타당성 연구를 수행하여, 지질학적, 구조적, 지질공학적 조건을 분석하여 깊은 지하 동굴 건설 가능성을 평가한다.
• 각 현지에 대해 암반 역학 및 굴착 계획을 상세히 수립하며, 동굴 설계, 보강 시스템, 안정성 평가를 포함한다.
• 현지 조건에 맞는 검출기 탱크 설계 및 시공 방법을 평가하여, 재료 운반 및 현장 조립의 제약 조건을 고려한다.
• 대규모 액체 스코린저 또는 물의 운반을 고려한 접근로, 운송 물류 및 안전 절차를 평가하며, 도로터널 및 광산 접근성도 고려한다.
• 각 현지에 대해 건강, 안전, 환경 영향 평가(HSE)를 수행하여 폐기 암반 처리 및 장기적인 현지 지속 가능성도 평가한다.
• 21개 수혜자 기관에서 활동하는 물리학자, 엔지니어, 광산 전문가, 산업 파artner들과의 협업을 통해 다학제적이고 기술적으로 탄탄한 설계를 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 7개의 유럽 현지 중에서 지질학적 안정성, 충분한 덮개 두께, 비용 효율적인 건설 조건의 최적 균형을 제공하는 곳은 어디인가?
• RQ2 거대한 지하 동굴 시스템을 건설하고 유지하는 데 있어 주요 기술적 및 공학적 과제는 무엇인가?
• RQ3 제한된 접근성과 깊은 지하 환경에서 검출기를 안전하게 운반하고 설치하며 운영하는 방법은 무엇인가?
• RQ4 각 후보지에서 거대한 중성미자 관측소를 건설할 경우의 상대적 비용과 환경 영향은 어떠한가?
• RQ5 향후 검출기는 CERN의 장거리 기반 중성미자 빔과 어떻게 최적화하여 결합하여 중성미자 진동에서의 CP 위반 감도를 극대화할 수 있는가?

주요 결과

• 영국의 Boulby, 스페인의 Canfranc, 프랑스/이탈리아의 Fréjus, 핀란드의 Pyhäsalmi, 폴란드의 Polkowice-Sieroszowice, 루마니아의 Slanic, 이탈리아의 Umbria 등 7개의 후보지가 다음 세대 중성미자 관측소를 설치할 수 있는 기술적으로 타당한 것으로 확인되었다.
• 2009년 冬~2010년 봄 사이에 중간 현지 보고서가 준비되었으며, 각 위치에 대해 고도의 개념 설계와 신뢰할 수 있는 굴착 비용 추정치를 제시하였다.
• 2009년 여름에 건강, 안전, 환경 영향 보고서가 완료되어 운영 및 환경 리스크에 대한 기초 평가를 제공하였다.
• 10만 톤에서 100만 톤의 검출기 질량은 실현 가능하며, 이는 10^35년에 이르는 양성자 수명을 감지하고 대통합 이론의 스케일을 시험할 수 있음을 확인하였다.
• 21개 수혜자 기관이 참여한 LAGUNA 컨sortium은, 유럽의 중성미자 물리 분야에서의 협업 프레임워크를 수립하였으며, 토목 공학, 암반 역학, 검출기 기술 분야의 학술 및 산업 전문성을 통합하였다.
• LAGUNA 컨소시엄은 향후 장거리 기반 중성미자 실험은 CERN에서 업그레이드된 중성미자 빔과 결합되어야 하며, 최종 현지 선정은 2010년 여름까지 완료될 것으로 결론 내렸다.